Источники энергии и особенности энергетических процессов у микроорганизмов

Микроорганизмы могут использовать два вида энергии: энергию видимого света и химическую энергию, высвобождающуюся при окислении различных восстановленных соединений. Но способы получения энергии у микроорганизмов отличаются от способов ее получения высшими организмами (у животных это дыхание, у растений – фотосинтез). Особенности способов сводятся к следующему:

- Процесс окисления у микроорганизмов не всегда идет до конца, до образования конечных продуктов – углекислого газа и воды. Может проходить и неполное окисление органических веществ в присутствии кислорода с образованием промежуточных недоокисленных продуктов, которые в определенных условиях могут быть доокислены.

- Микроорганизмы могут окислять органические вещества при отсутствии кислорода воздуха, используя кислород, находящийся в неорганических соединениях, богатых кислородом, например, в нитратах или сульфатах.

- Микроорганизмы могут получать энергию без участия кислорода в результате процесса брожения.

При биохимических превращениях веществ происходит разрыв химических связей, сопровождающийся выделением свободной энергии. Эта энергия не может быть непосредственно использована живым организмом. Она должна быть преобразована в биологически усваиваемую форму. Получение энергии клеткой в биологически усваиваемой форме в результате окисления молекул восстановленных веществ и восстановления молекул окисленных веществ носит название «биологического окисления». Его особенностью является то, что в процессе биохимических превращений веществ происходит разрыв химических связей, сопровождающийся выделением свободной (потенциальной) энергией.

Часть выделившейся свободной энергии рассеивается в виде тепловой, реже - световой и электрической энергии (свечение морской воды, рыбы, гниющего дерева), другая часть трансформируется в усваиваемую организмами форму. Такой формой является энергия, заключенная в макроэргических, т.е. богатых энергией, связях молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Молекула АТФ имеет две такие фосфатные связи, энергия разрыва каждой из которых равна 31,8 кДж (для сравнения: у большинства веществ при разрыве связей высвобождается порядка 12 кДж).

Молекула АТФ является универсальным аккумулятором энергии для всех живых организмов. Время существования молекулы АТФ составляет не более 1/3 секунды, после чего она распадается и высвободившаяся при этом энергия расходуется на обеспечение энергией всех протекающих в данный момент в клетке процессов. Если же в определенных условиях клетка вырабатывает энергии больше, чем требуется в данный момент, то тогда избыточная энергия расходуется на синтез высокомолекулярных запасных веществ – крахмала, гранулезы, гликогена, липидов и т.п. Эти запасные питательные вещества могут служить внутренним источником энергии в условиях недостатка внешних источников.

Малые размеры молекул АТФ позволяют ей легко проникать в различные участки клетки, где необходим приток энергии. Высвободившаяся энергия снижает энергетический потенциал клетки, и чтобы этот процесс не стал необратимым, молекулы АТФ должны постоянно регенерироваться. Регенерированные молекулы АТФ могут далее участвовать в процессах метаболизма. При регенерации молекул клетка использует доступные ей питательные вещества и всегда стремится получить возможно большее количество АТФ. Регенерация АТФ осуществляется в основном за счет процессов субстратного фосфорилирования, фосфорилирования в дыхательной цепи и фотофинтетического фосфорилирования.

Молекула АТФ является универсальным источником и переносчиком энергии. С ее помощью происходит перераспределение энергии между реакциями, идущими с выделением и поглощением энергии. Превращение свободной энергии в биологически полезную представляет собой сложный многоступенчатый процесс, так как только на некоторых этапах окисления исходного вещества происходит образование молекул АТФ.

У прокариот молекулы АТФ локализуются в ЦПМ, а у эукариот – в митохондриях.